高寒地區(qū)混凝土箱梁抗凍耐久性無(wú)損檢測(cè)*

楊怡文，薛 山，王 睿，鄧祥輝

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021)

隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，西北地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施正加快建設(shè)，其高原地區(qū)海拔大多在3 000 m以上，氣壓較低，晝夜溫度差較大[1]。特殊的地理位置和環(huán)境變化使項(xiàng)目在建設(shè)過(guò)程中遇到困難，一般工程中可以廣泛使用的混凝土強(qiáng)度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)在高海拔寒冷地區(qū)產(chǎn)生較大誤差。常規(guī)混凝土箱梁在這種極端的條件下會(huì)產(chǎn)生混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能以及抗凍耐久性下降的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到箱梁使用安全與壽命[2]。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)因其快速、方便、無(wú)損試件的特點(diǎn)，在混凝土工程檢測(cè)中得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行研究，提出“圖形標(biāo)桿”的無(wú)損評(píng)估方法，但通過(guò)觀察混凝土結(jié)構(gòu)表面的剝落程度來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的耐久性，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，結(jié)果大多為經(jīng)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，沒(méi)有較為直接的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化，不適用于實(shí)際工程中；文獻(xiàn)[4]研究了沖擊回波法在混凝土中的無(wú)損檢測(cè)，通過(guò)混凝土內(nèi)部應(yīng)力波的傳播速度來(lái)檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的大小，但由于沖擊回波無(wú)損檢測(cè)混凝土強(qiáng)度主要針對(duì)小體積混凝土，并不適用施工現(xiàn)場(chǎng)大體積混凝土施工檢測(cè)；文獻(xiàn)[5]在實(shí)際工程中使用超聲回彈法檢測(cè)橋梁墩臺(tái)的強(qiáng)度，將檢測(cè)結(jié)果與試塊取樣、鉆芯取樣的檢測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比，得出超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)準(zhǔn)確性更好，但在檢測(cè)過(guò)程中僅分析混凝土內(nèi)在因素，未考慮外界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，分析問(wèn)題不夠全面；文獻(xiàn)[6]利用超聲回彈綜合法檢測(cè)T梁混凝土強(qiáng)度，采用綜合檢測(cè)手段減少試驗(yàn)誤差，可在施工現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用。

目前，混凝土無(wú)損檢測(cè)方法相對(duì)單一，用單方面因素分析試驗(yàn)結(jié)果不夠全面精確，得出的試驗(yàn)結(jié)果誤差較大。因此，文中采用聲波-回彈強(qiáng)度檢測(cè)法和凍融循環(huán)檢測(cè)方法，將現(xiàn)有的測(cè)強(qiáng)曲線和抗凍耐久性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[7]及操作方法優(yōu)化為更適用于高寒地區(qū)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并以此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行指導(dǎo)，以提高高寒地區(qū)箱梁預(yù)測(cè)強(qiáng)度及無(wú)損檢測(cè)抗凍耐久性的準(zhǔn)確度。

1 混凝土配合比

試驗(yàn)地選在甘肅省夏河縣王格爾塘鎮(zhèn)汪塘村，該地區(qū)海拔超過(guò)3 000 m，年平均溫度3.0 ℃，冬季漫長(zhǎng)寒冷，最低溫度可以達(dá)到-26.7 ℃，最大積雪深度可達(dá)16 cm，為減少試驗(yàn)誤差，所用原材料均就地取材。試驗(yàn)采用C50混凝土，水泥采用常規(guī)P.O52.5硅酸鹽水泥；粗集料采用礦山碎石，粒徑為5～20 mm，級(jí)配良好；含石粉率為0.74%；細(xì)集料采用河砂，為中粗砂，含泥量為2.94%。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)[8]配置高寒普通混凝土(P)配合比，見(jiàn)表1。

特殊的環(huán)境條件會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度、耐久性、和易性等性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致高寒普通混凝土在使用的過(guò)程中產(chǎn)生抗凍耐久性差的問(wèn)題，因此在原有高寒普通混凝土(P)配合比的基礎(chǔ)上添加減水劑，以達(dá)到優(yōu)化混凝土性能[9]的目的，得到優(yōu)化后的高寒減水混凝土(J)配合比，見(jiàn)表1。

表1 高海拔寒冷地區(qū)混凝土配合比

2 抗凍耐久性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化

2.1 測(cè)強(qiáng)曲線的優(yōu)化

本試驗(yàn)參照國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》(GB 175-1999)的要求制備邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件9塊，試件拆模后進(jìn)行編號(hào)，J代表高寒減水混凝土試件，試件編號(hào)為J-1～J-9，將混凝土放入溫度為20 ℃、相對(duì)濕度 95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)完成后取出試件分別進(jìn)行聲波波速測(cè)試、回彈測(cè)試以及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS 02：2005)[10]，混凝土抗壓強(qiáng)度為

F=0.016 2R1.410V1.439，

(1)

式中：V為混凝土聲速值；R為回彈值。

由式(1)得到基于現(xiàn)行規(guī)范下的高寒減水混凝土預(yù)測(cè)強(qiáng)度Ff，并與試驗(yàn)所測(cè)得混凝土強(qiáng)度值進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 高寒減水混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件預(yù)測(cè)強(qiáng)度

由表2可見(jiàn)，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范得到的高寒混凝土預(yù)測(cè)強(qiáng)度整體大于實(shí)測(cè)強(qiáng)度，其相對(duì)誤差平均值達(dá)35.3%。可見(jiàn)現(xiàn)行規(guī)范提供的混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型不能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)高寒地區(qū)混凝土的強(qiáng)度，需研究針對(duì)性更強(qiáng)，準(zhǔn)確度更高的預(yù)測(cè)模型。

根據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23-2011)推薦的冪函數(shù)關(guān)系式[11]，利用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的混凝土回彈值R、縱波波速值V與混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度值F進(jìn)行回歸分析，擬合出適用于高海拔寒冷地區(qū)混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)R-V-F函數(shù)，并分別計(jì)算相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 高寒減水混凝土擬合函數(shù)

將表2中試驗(yàn)測(cè)得的縱波波速、回彈值代入高寒減水混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型中，得到試件的預(yù)測(cè)強(qiáng)度和相對(duì)誤差值，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，文中高寒混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的相對(duì)誤差平均值僅為3.42%，遠(yuǎn)小于現(xiàn)行規(guī)范得到的預(yù)測(cè)強(qiáng)度相對(duì)誤差平均值。綜合對(duì)比相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)誤差平均值，可得本文提出的預(yù)測(cè)模型更適用于高海拔寒冷地區(qū)混凝土強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。

2.2 抗凍耐久性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的確定

采用高寒減水混凝土配合比，制作強(qiáng)度等級(jí)為C50、邊長(zhǎng)為100 mm×100 mm×400 mm的長(zhǎng)方體試件。本文設(shè)計(jì)試件凍融次數(shù)為200次，根據(jù)凍融次數(shù)制備高寒減水混凝土試件27塊，試件拆模后將其進(jìn)行編號(hào)，J表示高寒減水混凝土試件，D表示凍融試驗(yàn)，JD-1～JD-3表示凍融25次時(shí)的高寒減水混凝土試件，JD-4～JD-6表示凍融50次時(shí)的高寒減水混凝土試件，以此類推，JD-25～JD-27表示凍融200次時(shí)的高寒減水混凝土試件。

將混凝土放入標(biāo)養(yǎng)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件如下：溫度為20 ℃，濕度為90%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。脫模后取出3塊試件分別進(jìn)行質(zhì)量、聲波波速、動(dòng)彈性模量、回彈值以及抗折破壞強(qiáng)度測(cè)試，其余試塊均放入凍融循環(huán)機(jī)中進(jìn)行凍融循環(huán)，凍融條件為每4 h循環(huán)一次，凍融溫度范圍為-20～+20 ℃，每經(jīng)過(guò)25次循環(huán)，取出3塊試件進(jìn)行質(zhì)量、聲波波速、回彈值以及抗折破壞強(qiáng)度試驗(yàn)。以此類推，當(dāng)混凝土質(zhì)量損失率達(dá)到5%，或試件相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至60%時(shí)，試件達(dá)到混凝土凍融破壞條件，停止試驗(yàn)。

根據(jù)試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制高寒減水混凝土質(zhì)量、聲波波速和回彈值的凍融循環(huán)次數(shù)趨勢(shì)圖，如圖1～圖3所示?？拐蹚?qiáng)度隨凍融次數(shù)增加的變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖1～圖4可得，JD-14、JD-15試件質(zhì)量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出遞減變化，根據(jù)質(zhì)量損失率公式可得到高寒減水混凝土在凍融循環(huán)125次時(shí)的質(zhì)量損失率均大于5%，達(dá)到凍融循環(huán)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的停止條件，因此高寒減水混凝土經(jīng)過(guò)125次凍融循環(huán)后試驗(yàn)終止。聲波波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)，但下降呈現(xiàn)出階梯狀，在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到特定值時(shí)聲波波速出現(xiàn)大幅度驟減，根據(jù)聲波波速檢測(cè)原理可知，波速大小與混凝土試件內(nèi)部材料的密實(shí)程度有關(guān)，由于混凝土在凍融循環(huán)過(guò)程中其內(nèi)部產(chǎn)生較大裂隙，導(dǎo)致聲波波速出現(xiàn)驟減?；貜椫岛涂拐蹚?qiáng)度隨著凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中抗折強(qiáng)度的下降趨勢(shì)較為平緩，由抗折強(qiáng)度下降速度可以觀察出高寒減水混凝土的抗折強(qiáng)度衰減較為緩慢，說(shuō)明加入減水劑可以相對(duì)提高混凝土的抗折強(qiáng)度。

圖1 質(zhì)量-凍融循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)

圖2 聲波波速-凍融循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)

圖3 回彈值-凍融循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)

圖4 抗折強(qiáng)度-凍融循環(huán)次數(shù)變化趨勢(shì)

基于聲波-回彈綜合法以及現(xiàn)有的混凝土抗凍耐久性標(biāo)準(zhǔn)[12]，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化，建立高寒減水混凝土抗凍耐久性無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，采用試驗(yàn)得到的混凝土試件的0次凍融時(shí)聲波波速以及回彈值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并同時(shí)滿足強(qiáng)度要求，對(duì)無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改。具體標(biāo)準(zhǔn)如下：① 高寒減水混凝土聲波波速應(yīng)不小于5.1 km·s-1；② 回彈值不小于42；③ 高寒減水混凝土的預(yù)測(cè)強(qiáng)度不小于50.0 MPa。

2.3 抗凍耐久性無(wú)損檢測(cè)方法

在高寒地區(qū)施工中，受特殊氣候環(huán)境的影響對(duì)混凝土性能提出了更高的要求，需要其滿足強(qiáng)度的同時(shí)具備足夠抗凍耐久性。根據(jù)上述試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，并結(jié)合高寒地區(qū)混凝土力學(xué)性能及抗凍耐久性試驗(yàn)方法，制定出一套系統(tǒng)的高寒地區(qū)混凝土箱梁抗凍耐久性無(wú)損檢測(cè)方案，具體操作如下：① 在待測(cè)箱梁兩側(cè)均勻選取10個(gè)測(cè)區(qū)，每側(cè)5個(gè)并在每一個(gè)測(cè)區(qū)畫(huà)出4×4個(gè)測(cè)點(diǎn)；② 在每一測(cè)區(qū)的16個(gè)測(cè)點(diǎn)，共進(jìn)行16次回彈測(cè)試，將所測(cè)回彈值去掉3個(gè)最大值與3個(gè)最小值后取平均值，作為該區(qū)的回彈值；③ 在每一測(cè)區(qū)采用平測(cè)法測(cè)試箱梁聲波波速3次，對(duì)所測(cè)波速取平均值作為該測(cè)區(qū)的聲波波速值；④ 將每一測(cè)區(qū)的聲波波速和回彈值代入優(yōu)化強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型中計(jì)算出該測(cè)區(qū)的強(qiáng)度預(yù)測(cè)值，不同測(cè)區(qū)的聲波波速和回彈值不得混用；⑤ 待測(cè)箱梁中有不少于7個(gè)測(cè)區(qū)的聲波波速不小于5.1 km·s-1和回彈值不小于42；待測(cè)箱梁中有不少于9個(gè)測(cè)區(qū)的強(qiáng)度值滿足預(yù)測(cè)強(qiáng)度不小于50.0 MPa的要求，即認(rèn)為該箱梁抗凍耐久性滿足要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

甘南高原的夏河地區(qū)屬間歇性隆升的山地，地勢(shì)西南高、北東低，海拔2 500～3 600 m之間，切割深度100～700 m之間。本高速公路最高點(diǎn)位于桑科鎮(zhèn)，海拔3 050 m，最低點(diǎn)位于起點(diǎn)王格爾塘，海拔2 521 m，高差521 m。該地區(qū)在全國(guó)公路自然分區(qū)中屬青藏高寒區(qū)(VII3)，年平均氣溫3.0 ℃，冬季漫長(zhǎng)寒冷。本項(xiàng)目依托S38線王格爾塘至夏河(桑科)高速公路WXSG-2標(biāo)段，起訖樁號(hào)K4+652/ZK4+648～K9+468/ZK9+438，線路全長(zhǎng)4.816 km。沿線共設(shè)置特大橋1座、大橋4座、預(yù)制箱梁804片。

為了驗(yàn)證高寒地區(qū)箱梁無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的可行性以及高寒減水混凝土在高寒地區(qū)的實(shí)用性，本工程使用高寒減水混凝土，并使用文中所提出的高寒地區(qū)混凝土箱梁抗凍耐久性無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)箱梁的抗凍耐久性。按照無(wú)損檢測(cè)操作方法對(duì)箱梁進(jìn)行聲波-回彈無(wú)損檢測(cè)，判斷箱梁聲波波速平均值、回彈值平均值及預(yù)測(cè)強(qiáng)度平均值是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，箱梁檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 箱梁檢測(cè)結(jié)果

表4中各項(xiàng)數(shù)據(jù)均符合文中提出的高寒混凝土箱梁抗凍耐久性無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)箱梁養(yǎng)護(hù)28 d后的實(shí)際強(qiáng)度與優(yōu)化冪函數(shù)預(yù)測(cè)值相差較小，因此本文所提出的高寒減水混凝土箱梁無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可以推廣使用。

4 結(jié) 論

針對(duì)高海拔寒冷地區(qū)特殊的氣候環(huán)境條件，通過(guò)引入外加劑的方法配制了適用于高海拔寒冷地區(qū)的高寒減水混凝土。通過(guò)測(cè)試高寒減水混凝土的回彈值、聲波波速以及抗壓強(qiáng)度，建立高寒減水混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。對(duì)高寒減水混凝土試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，通過(guò)凍融循環(huán)過(guò)程中定期檢測(cè)試件的聲波波速、回彈值和抗折強(qiáng)度，分析了高寒減水混凝土的抗凍耐久性，提出高寒減水混凝土抗凍耐久性無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。并以甘肅省王格爾塘至夏河(?？?高速公路WXSG-2標(biāo)段為依托驗(yàn)證了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的可行性。